الکترودهای گرافن فوق شفاف و قابل کشش

مواد دو بعدی، مانند گرافن، هم برای کاربردهای نیمه هادی معمولی و هم برای کاربردهای نوپا در الکترونیک انعطاف پذیر جذاب هستند. با این حال، استحکام کششی بالای گرافن منجر به شکستگی در کرنش کم می‌شود و استفاده از ویژگی‌های الکترونیکی فوق‌العاده آن در الکترونیک قابل کشش را به چالش می‌کشد. برای فعال کردن عملکرد عالی رساناهای گرافن شفاف وابسته به کرنش، ما نانوطومارهای گرافن را در بین لایه‌های گرافن انباشته ایجاد کردیم که به آن طومارهای چند لایه گرافن/گرافن (MGGs) گفته می‌شود. تحت فشار، برخی از طومارها، حوزه های تکه تکه شده گرافن را برای حفظ یک شبکه نفوذی که رسانایی عالی در کرنش های بالا را امکان پذیر می کرد، پل زدند. MGGهای سه لایه ای که روی الاستومرها پشتیبانی می شوند، 65 درصد رسانایی اولیه خود را در کرنش 100 درصد، که عمود بر جهت جریان جریان است، حفظ کردند، در حالی که لایه های سه لایه گرافن بدون نانوطومارها تنها 25 درصد رسانایی اولیه خود را حفظ کردند. یک ترانزیستور تمام کربنی قابل کشش که با استفاده از MGG به عنوان الکترود ساخته شده است، گذرندگی بیش از 90 درصد را نشان می دهد و 60 درصد جریان خروجی اصلی خود را در کرنش 120 درصد (موازی با جهت انتقال بار) حفظ می کند. این ترانزیستورهای تمام کربنی بسیار انعطاف پذیر و شفاف می توانند اپتوالکترونیک قابل کشش پیچیده ای را فعال کنند.
الکترونیک شفاف قابل کشش یک زمینه رو به رشد است که کاربردهای مهمی در سیستم‌های زیست‌ادغام‌شده پیشرفته (1، 2) و همچنین پتانسیل ادغام با اپتوالکترونیک‌های کششی (3، 4) برای تولید روباتیک‌ها و نمایشگرهای نرم پیچیده دارد. گرافن خواص بسیار مطلوب ضخامت اتمی، شفافیت بالا و رسانایی بالا را از خود نشان می دهد، اما اجرای آن در کاربردهای کششی به دلیل تمایل به ترک خوردن در کرنش های کوچک مهار شده است. غلبه بر محدودیت های مکانیکی گرافن می تواند قابلیت های جدیدی را در دستگاه های شفاف قابل کشش ایجاد کند.
خواص منحصر به فرد گرافن، آن را به یک نامزد قوی برای نسل بعدی الکترودهای رسانای شفاف تبدیل می کند (5، 6). در مقایسه با متداول ترین هادی شفاف، اکسید قلع ایندیم [ITO; 100 اهم بر مربع (مربع) در شفافیت 90 درصد]، گرافن تک لایه رشد یافته توسط رسوب بخار شیمیایی (CVD) ترکیبی مشابه از مقاومت ورق (125 اهم بر مربع) و شفافیت (97.4 درصد) دارد (5). علاوه بر این، فیلم‌های گرافنی در مقایسه با ITO انعطاف‌پذیری فوق‌العاده‌ای دارند (7). به عنوان مثال، روی یک بستر پلاستیکی، رسانایی آن را می توان حتی برای شعاع خمشی به کوچکی 0.8 میلی متر (8) حفظ کرد. برای افزایش بیشتر عملکرد الکتریکی آن به عنوان یک رسانای انعطاف پذیر شفاف، کارهای قبلی مواد هیبریدی گرافن را با نانوسیم های نقره یک بعدی (1D) یا نانولوله های کربنی (CNTs) توسعه داده اند (9-11). علاوه بر این، گرافن به‌عنوان الکترود برای نیمه‌رساناهای ناهم‌ساختار ترکیبی (مانند Si 2 بعدی، نانوسیم‌ها/نانولوله‌های 1 بعدی و نقاط کوانتومی 0D) (12)، ترانزیستورهای انعطاف‌پذیر، سلول‌های خورشیدی و دیودهای ساطع نور (LED) استفاده شده است (13). -23).
اگرچه گرافن نتایج امیدوارکننده‌ای را برای الکترونیک انعطاف‌پذیر نشان داده است، کاربرد آن در الکترونیک قابل کشش به دلیل خواص مکانیکی آن محدود شده است (17، 24، 25). گرافن دارای سختی درون صفحه ای 340 نیوتن بر متر و مدول یانگ 0.5 TPa است (26). شبکه کربن-کربن قوی هیچ مکانیزم اتلاف انرژی را برای کرنش اعمالی فراهم نمی کند و بنابراین به راحتی در کرنش کمتر از 5 درصد ترک می خورد. به عنوان مثال، گرافن CVD که روی یک بستر الاستیک پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) منتقل شده است، تنها می تواند هدایت خود را در کرنش کمتر از 6 درصد حفظ کند (8). محاسبات نظری نشان می دهد که مچاله شدن و فعل و انفعال بین لایه های مختلف باید سختی را به شدت کاهش دهد (26). با چیدن گرافن در چند لایه، گزارش شده است که این گرافن دو یا سه لایه تا 30 درصد کشش دارد و تغییر مقاومتی 13 برابر کمتر از گرافن تک لایه نشان می دهد (27). با این حال، این کشش پذیری هنوز به طور قابل توجهی در مقایسه با رساناهای کششی پیشرفته C پایین تر است (28، 29).
ترانزیستورها در کاربردهای کشش پذیر مهم هستند زیرا آنها خواندن حسگر پیچیده و تجزیه و تحلیل سیگنال را امکان پذیر می کنند (30، 31). ترانزیستورهای روی PDMS با گرافن چند لایه به‌عنوان الکترود منبع/ تخلیه و مواد کانال می‌توانند عملکرد الکتریکی را تا 5 درصد کرنش (32) حفظ کنند، که به طور قابل‌توجهی کمتر از حداقل مقدار مورد نیاز (50 درصد) برای سنسورهای پوشیدنی نظارت بر سلامت و پوست الکترونیکی است. 33، 34). اخیراً یک رویکرد کریگامی گرافن مورد بررسی قرار گرفته است و ترانزیستور محصور شده توسط یک الکترولیت مایع می تواند تا 240 درصد کشیده شود (35). با این حال، این روش به گرافن معلق نیاز دارد که فرآیند ساخت را پیچیده می کند.
در اینجا، ما به دستگاه‌های گرافنی بسیار کشش‌پذیری دست پیدا می‌کنیم که طومارهای گرافنی (حدود 1 تا 20 میکرومتر طول، 0.1 تا 1 میکرومتر عرض، و 10 تا 100 نانومتر ارتفاع) را در بین لایه‌های گرافن به دست می‌آوریم. ما فرض می‌کنیم که این طومارهای گرافن می‌توانند مسیرهای رسانایی را برای پل زدن شکاف‌های ورقه‌های گرافن فراهم کنند، بنابراین رسانایی بالایی را تحت فشار حفظ می‌کنند. طومارهای گرافن نیازی به سنتز یا فرآیند اضافی ندارند. آنها به طور طبیعی در طول فرآیند انتقال مرطوب تشکیل می شوند. با استفاده از طومارهای چندلایه G/G (گرافن/گرافن) (MGGs)، الکترودهای قابل کشش گرافن (منبع/ تخلیه و دروازه) و نانولوله‌های کربنی نیمه رسانا، ما توانستیم ترانزیستورهای تمام کربنی بسیار شفاف و با قابلیت کشش بالا را نشان دهیم که می‌توانند تا 120 کشیده شوند. درصد کرنش (موازی با جهت انتقال بار) و 60 درصد جریان خروجی اصلی خود را حفظ می کنند. این کشش پذیرترین ترانزیستور شفاف مبتنی بر کربن تا کنون است و جریان کافی برای راه اندازی یک LED غیر آلی را فراهم می کند.
برای فعال کردن الکترودهای گرافن قابل کشش شفاف با مساحت بزرگ، گرافن رشد یافته در CVD روی فویل مس را انتخاب کردیم. فویل مس در مرکز یک لوله کوارتز CVD معلق شد تا امکان رشد گرافن در هر دو طرف را فراهم کند و ساختارهای G/Cu/G را تشکیل دهد. برای انتقال گرافن، ابتدا یک لایه نازک از پلی (متیل متاکریلات) (PMMA) را برای محافظت از یک طرف گرافن، که آن را گرافن سمت بالا (برعکس طرف دیگر گرافن) نامیدیم، روکش کردیم و متعاقباً، کل فیلم (PMMA/گرافن بالا/مس/گرافن پایین) در محلول (NH4)2S2O8 خیس شد تا فویل مس را از بین ببرد. گرافن سمت پایین بدون پوشش PMMA به طور اجتناب‌ناپذیری دارای ترک‌ها و نقص‌هایی است که به ماده اچ‌کننده اجازه می‌دهد از طریق آن نفوذ کند (36، 37). همانطور که در شکل 1A نشان داده شده است، تحت تاثیر کشش سطحی، حوزه‌های گرافن آزاد شده به شکل طومارها پیچیدند و متعاقباً به لایه بالا-G/PMMA باقی‌مانده متصل شدند. طومارهای top-G/G می‌توانند روی هر بستری مانند SiO2/Si، شیشه یا پلیمر نرم منتقل شوند. تکرار این فرآیند انتقال چندین بار بر روی یک بستر یکسان ساختارهای MGG می دهد.
(الف) تصویر شماتیکی از روش ساخت MGGها به عنوان یک الکترود قابل کشش. در طول انتقال گرافن، گرافن پشتی روی فویل مس در مرزها و عیوب شکسته شد، به شکل‌های دلخواه پیچیده شد و محکم به لایه‌های بالایی چسبید و نانوطومارهایی را تشکیل داد. کارتون چهارم ساختار MGG انباشته شده را به تصویر می کشد. (B و C) خصوصیات TEM با وضوح بالا یک MGG تک لایه، با تمرکز بر روی گرافن تک لایه (B) و منطقه اسکرول (C). ورودی (B) یک تصویر با بزرگنمایی کم است که مورفولوژی کلی MGGهای تک لایه را در شبکه TEM نشان می دهد. ورودی های (C) پروفیل های شدتی هستند که در امتداد جعبه های مستطیلی نشان داده شده در تصویر گرفته شده اند، جایی که فاصله بین صفحات اتمی 0.34 و 0.41 نانومتر است. (D) طیف EEL لبه K کربن با قله‌های گرافیتی π* و σ* مشخص‌شده. (E) تصویر مقطعی AFM از طومارهای تک لایه G/G با نمایه ارتفاع در امتداد خط نقطه چین زرد. (F تا I) میکروسکوپ نوری و تصاویر AFM از سه لایه G بدون (F و H) و با طومار (G و I) به ترتیب روی بسترهای SiO2/Si با ضخامت 300 نانومتر. طومارها و چین و چروک های نماینده برای برجسته کردن تفاوت های آنها برچسب گذاری شدند.
برای تأیید اینکه کتیبه‌ها دارای گرافن نورد شده هستند، ما مطالعات طیف‌سنجی میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (TEM) و از دست دادن انرژی الکترونی (EEL) را بر روی ساختارهای اسکرول تک لایه top-G/G انجام دادیم. شکل 1B ساختار شش ضلعی یک گرافن تک لایه را نشان می دهد و قسمت داخلی یک مورفولوژی کلی از فیلم است که روی یک سوراخ کربن منفرد از شبکه TEM پوشانده شده است. گرافن تک لایه بیشتر شبکه را در بر می گیرد و برخی از گرافن ها در حضور چندین پشته از حلقه های شش ضلعی ظاهر می شوند (شکل 1B). با بزرگنمایی در یک طومار منفرد (شکل 1C)، مقدار زیادی از حاشیه های شبکه گرافن را مشاهده کردیم، با فاصله شبکه در محدوده 0.34 تا 0.41 نانومتر. این اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که تکه‌ها به‌طور تصادفی پیچیده شده‌اند و گرافیت کامل نیستند، که دارای فاصله شبکه‌ای 0.34 نانومتر در انباشته لایه «ABAB» است. شکل 1D طیف EEL لبه K کربن را نشان می دهد، جایی که اوج در 285 eV از مدار π* سرچشمه می گیرد و دیگری در حدود 290 eV به دلیل انتقال اوربیتال σ* است. می توان مشاهده کرد که پیوند sp2 در این ساختار غالب است، و تأیید می کند که کتیبه ها بسیار گرافیتی هستند.
تصاویر میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) بینشی در مورد توزیع نانوطومارهای گرافن در MGG ها ارائه می دهند (شکل 1، E تا G، و شکل های S1 و S2). طومارها به طور تصادفی بر روی سطح توزیع می شوند و چگالی در صفحه آنها متناسب با تعداد لایه های روی هم افزایش می یابد. بسیاری از طومارها به صورت گره‌هایی در هم پیچیده شده‌اند و ارتفاع‌های غیریکنواختی را در محدوده 10 تا 100 نانومتر نشان می‌دهند. طول آنها 1 تا 20 میکرومتر و عرض آنها 0.1 تا 1 میکرومتر است که بستگی به اندازه دانه های گرافن اولیه آنها دارد. همانطور که در شکل 1 (H و I) نشان داده شده است، طومارها دارای اندازه های قابل توجهی بزرگتر از چین و چروک ها هستند که منجر به یک رابط بسیار خشن تر در بین لایه های گرافن می شود.
برای اندازه‌گیری ویژگی‌های الکتریکی، لایه‌های گرافن را با یا بدون ساختارهای اسکرول و انباشته شدن لایه‌ها در نوارهایی با عرض 300 میکرومتر و طول 2000 میکرومتر با استفاده از فوتولیتوگرافی الگوبرداری کردیم. مقاومت دو پروب به عنوان تابعی از کرنش در شرایط محیطی اندازه‌گیری شد. وجود طومارها مقاومت گرافن تک لایه را تا 80 درصد با کاهش 2.2 درصدی در گذرنده کاهش داد (شکل S4). این تأیید می کند که نانوطومارها، که دارای چگالی جریان بالایی تا 5 × 107 A/cm2 هستند (38، 39)، سهم الکتریکی بسیار مثبتی در MGG ها دارند. در بین گرافن ها و گرافن های ساده تک، دو و سه لایه، MGG سه لایه بهترین رسانایی را با شفافیت تقریباً 90 درصد دارد. برای مقایسه با سایر منابع گرافن گزارش شده در ادبیات، ما همچنین مقاومت ورق چهار پروب (شکل S5) را اندازه‌گیری کردیم و آنها را به عنوان تابعی از انتقال در 550 نانومتر (شکل S6) در شکل 2A فهرست کردیم. MGG رسانایی و شفافیت قابل مقایسه یا بالاتری نسبت به گرافن ساده چند لایه مصنوعی و اکسید گرافن احیا شده (RGO) نشان می دهد (6، 8، 18). توجه داشته باشید که مقاومت ورق گرافن ساده چندلایه ای که به طور مصنوعی روی هم چیده شده اند، کمی بالاتر از مقاومت MGG ما است، احتمالاً به دلیل شرایط رشد و روش انتقال بهینه آنها.
(الف) مقاومت ورق چهار پروب در مقابل عبور و مرور در 550 نانومتر برای چندین نوع گرافن، که در آن مربع های سیاه نشان دهنده MGGهای تک، دو و سه لایه است. دایره های قرمز و مثلث های آبی با گرافن ساده چندلایه رشد یافته روی مس و نیکل از مطالعات Li و همکاران مطابقت دارند. (6) و کیم و همکاران. (8) به ترتیب، و متعاقبا بر روی SiO2/Si یا کوارتز منتقل می شود. و مثلث های سبز مقادیری برای RGO در درجات کاهشی متفاوت از مطالعه Bonaccorso و همکاران هستند. (18). (B و C) تغییر مقاومت نرمال شده MGGهای تک، دو و سه لایه و G به عنوان تابعی از کرنش عمود (B) و موازی (C) به جهت جریان جریان. (د) تغییر مقاومت نرمال شده دو لایه G (قرمز) و MGG (سیاه) تحت بارگذاری کرنش چرخه ای تا 50٪ کرنش عمود بر. (E) تغییر مقاومت عادی سه لایه G (قرمز) و MGG (سیاه) تحت بارگذاری کرنش چرخه ای تا کرنش موازی 90٪. (F) تغییر ظرفیت خازنی نرمال شده تک، دو و سه لایه G و MGGهای دو و سه لایه به عنوان تابعی از کرنش. قسمت داخلی ساختار خازن است که در آن بستر پلیمری SEBS و لایه دی الکتریک پلیمری SEBS با ضخامت 2 میکرومتر است.
برای ارزیابی عملکرد وابسته به کرنش MGG، ما گرافن را روی بسترهای الاستومر گرمانرم استایرن-اتیلن-بوتادین-استایرن (SEBS) (عرض ~2 سانتی متر و طول ~5 سانتی متر) منتقل کردیم و رسانایی به هنگام کشش بستر اندازه گیری شد. (رجوع کنید به مواد و روش ها) هر دو عمود و موازی با جهت جریان جریان (شکل 2، B و C). رفتار الکتریکی وابسته به کرنش با ادغام نانوطومارها و افزایش تعداد لایه‌های گرافن بهبود یافت. به عنوان مثال، هنگامی که کرنش عمود بر جریان جریان است، برای گرافن تک لایه، افزودن طومارها باعث افزایش کرنش در شکست الکتریکی از 5 به 70 درصد شد. تحمل کرنش گرافن سه لایه نیز به طور قابل توجهی در مقایسه با گرافن تک لایه بهبود یافته است. با نانوطومارها، در کرنش عمود 100 درصد، مقاومت ساختار سه لایه MGG تنها 50 درصد در مقایسه با 300 درصد برای گرافن سه لایه بدون طومار افزایش یافت. تغییر مقاومت تحت بار کرنش چرخه ای مورد بررسی قرار گرفت. برای مقایسه (شکل 2D)، مقاومت یک لایه دولایه گرافن ساده در حدود 7.5 برابر پس از 700 چرخه در کرنش عمود 50 درصد افزایش یافت و با کرنش در هر چرخه افزایش یافت. از سوی دیگر، مقاومت یک MGG دولایه تنها پس از 700 سیکل حدود 2.5 برابر افزایش یافت. با اعمال کرنش تا 90 درصد در امتداد جهت موازی، مقاومت گرافن سه لایه پس از 1000 چرخه 100 برابر افزایش یافت، در حالی که در MGG سه لایه تنها 8 برابر است (شکل 2E). نتایج دوچرخه سواری در شکل نشان داده شده است. S7. افزایش نسبتاً سریعتر مقاومت در امتداد جهت کرنش موازی به این دلیل است که جهت ترک ها بر جهت جریان جریان عمود است. انحراف مقاومت در هنگام بارگیری و تخلیه بار به دلیل بازیابی ویسکوالاستیک بستر الاستومری SEBS است. مقاومت پایدارتر نوارهای MGG در طول دوچرخه‌سواری به دلیل وجود طومارهای بزرگ است که می‌توانند قسمت‌های ترک خورده گرافن را پل بزنند (همانطور که توسط AFM مشاهده می‌شود) و به حفظ مسیر نفوذ کمک می‌کند. این پدیده حفظ رسانایی توسط یک مسیر نفوذی قبلا برای فلزات یا فیلم های نیمه هادی ترک خورده بر روی بسترهای الاستومری گزارش شده است (40، 41).
برای ارزیابی این فیلم های مبتنی بر گرافن به عنوان الکترودهای دروازه در دستگاه های کششی، لایه گرافن را با یک لایه دی الکتریک SEBS (ضخامت 2 میکرومتر) پوشاندیم و تغییر ظرفیت دی الکتریک را به عنوان تابعی از کرنش مشاهده کردیم (شکل 2F و مواد تکمیلی را ببینید. جزئیات). ما مشاهده کردیم که ظرفیت‌های الکترودهای گرافن تک لایه و دولایه به سرعت به دلیل از دست دادن رسانایی درون صفحه گرافن کاهش یافت. در مقابل، خازن های محصور شده توسط MGGها و همچنین گرافن سه لایه ساده افزایش ظرفیت با کرنش را نشان دادند که به دلیل کاهش ضخامت دی الکتریک با کرنش انتظار می رود. افزایش مورد انتظار در ظرفیت به خوبی با ساختار MGG مطابقت داشت (شکل S8). این نشان می دهد که MGG به عنوان یک الکترود دروازه برای ترانزیستورهای قابل کشش مناسب است.
برای بررسی بیشتر نقش اسکرول گرافن 1 بعدی بر تحمل فشار هدایت الکتریکی و کنترل بهتر جداسازی بین لایه‌های گرافن، از CNT‌های پوشش داده شده با اسپری برای جایگزینی طومارهای گرافن استفاده کردیم (مواد تکمیلی را ببینید). برای تقلید ساختارهای MGG، ما سه تراکم CNT (یعنی CNT1) را رسوب دادیم.
(A تا C) تصاویر AFM از سه چگالی مختلف CNT (CNT1
برای درک بیشتر توانایی آنها به عنوان الکترود برای الکترونیک قابل کشش، ما به طور سیستماتیک مورفولوژی MGG و G-CNT-G را تحت فشار بررسی کردیم. میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) روش‌های مشخصه‌یابی مؤثری نیستند، زیرا هر دو فاقد کنتراست رنگی هستند و SEM در حین اسکن الکترونی زمانی که گرافن روی لایه‌های پلیمری قرار دارد در معرض دست‌افکت تصویر است (شکل‌های S9 و S10). برای مشاهده در محل سطح گرافن تحت کرنش، ما اندازه‌گیری‌های AFM را روی MGGهای سه‌لایه و گرافن ساده پس از انتقال به زیرلایه‌های بسیار نازک (~0.1 میلی‌متر ضخامت) و الاستیک SEBS جمع‌آوری کردیم. به دلیل نقص‌های ذاتی در گرافن CVD و آسیب‌های بیرونی در طول فرآیند انتقال، ترک‌هایی ناگزیر روی گرافن کرنش‌شده ایجاد می‌شوند و با افزایش کرنش، ترک‌ها متراکم‌تر می‌شوند (شکل 4، A تا D). بسته به ساختار انباشته الکترودهای مبتنی بر کربن، ترک ها مورفولوژی های مختلفی را نشان می دهند (شکل S11) (27). چگالی ناحیه ترک (تعریف شده به عنوان ناحیه ترک/منطقه تجزیه و تحلیل شده) گرافن چند لایه کمتر از گرافن تک لایه پس از کرنش است که با افزایش رسانایی الکتریکی برای MGG ها سازگار است. از سوی دیگر، کتیبه‌ها اغلب برای پل زدن شکاف‌ها مشاهده می‌شوند که مسیرهای رسانای اضافی را در فیلم کرنش‌شده فراهم می‌کنند. برای مثال، همانطور که در تصویر 4B نشان داده شده است، یک طومار عریض از روی شکافی در سه لایه MGG عبور کرد، اما هیچ طوماری در گرافن ساده مشاهده نشد (شکل 4، E تا H). به طور مشابه، CNT ها همچنین شکاف های گرافن را پل زدند (شکل S11). چگالی ناحیه ترک، چگالی ناحیه اسکرول و زبری فیلم ها در شکل 4K خلاصه شده است.
(A تا H) تصاویر AFM درجا از طومارهای سه‌لایه G/G (A تا D) و ساختارهای سه‌لایه G (E تا H) روی یک الاستومر بسیار نازک SEBS (~0.1 میلی‌متر ضخامت) در 0، 20، 60 و 100 درصد کرنش شکاف ها و طومارهای نماینده با فلش ها نشان داده شده اند. همه تصاویر AFM در مساحت 15 میکرومتر × 15 میکرومتر هستند و از همان نوار مقیاس رنگی استفاده می‌کنند که برچسب‌گذاری شده است. (I) هندسه شبیه سازی الکترودهای گرافن تک لایه طرح دار بر روی بستر SEBS. (J) نقشه کانتور شبیه‌سازی حداکثر کرنش لگاریتمی اصلی در گرافن تک لایه و بستر SEBS در کرنش خارجی 20٪. (K) مقایسه تراکم ناحیه ترک (ستون قرمز)، تراکم ناحیه اسکرول (ستون زرد) و زبری سطح (ستون آبی) برای ساختارهای مختلف گرافن.
هنگامی که لایه‌های MGG کشیده می‌شوند، مکانیسم اضافی مهمی وجود دارد که کتیبه‌ها می‌توانند مناطق ترک خورده گرافن را پل بزنند و شبکه نفوذی را حفظ کنند. طومارهای گرافنی امیدوارکننده هستند زیرا می توانند ده ها میکرومتر طول داشته باشند و بنابراین می توانند شکاف هایی را که معمولاً تا مقیاس میکرومتر هستند، پل بزنند. علاوه بر این، از آنجایی که طومارها از چند لایه گرافن تشکیل شده اند، انتظار می رود مقاومت کمی داشته باشند. در مقایسه، شبکه‌های CNT نسبتاً متراکم (انتقال کمتر) برای ارائه قابلیت پل رسانایی قابل مقایسه مورد نیاز هستند، زیرا CNT‌ها کوچک‌تر (معمولاً چند میکرومتر طول دارند) و رسانایی کمتری نسبت به اسکرول‌ها دارند. از سوی دیگر، همانطور که در شکل نشان داده شده است. S12، در حالی که گرافن در طول کشش برای سازگاری با فشار ترک می‌خورد، طومارها ترک نمی‌خورند و این نشان می‌دهد که گرافن ممکن است روی گرافن زیرین لغزنده باشد. دلیل این که ترک نمی‌خورند احتمالاً به دلیل ساختار رول‌شده‌ای است که از لایه‌های زیادی از گرافن (حدود ۱ تا ۲ میکرومتر طول، ۰.۱ تا ۱ میکرومتر عرض، و حدود ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر ارتفاع) تشکیل شده است. مدول موثر بالاتری نسبت به گرافن تک لایه. همانطور که توسط گرین و هرسام (42) گزارش شده است، شبکه‌های CNT فلزی (قطر لوله 1.0 نانومتر) می‌توانند به مقاومت‌های پایین ورق کمتر از 100 اهم بر مربع علیرغم مقاومت زیاد در اتصال بین CNT‌ها دست یابند. با توجه به اینکه طومارهای گرافنی ما دارای عرض 0.1 تا 1 میکرومتر هستند و کتیبه‌های G/G مناطق تماس بسیار بزرگ‌تری نسبت به CNT‌ها دارند، مقاومت تماس و سطح تماس بین اسکرول‌های گرافن و گرافن نباید عامل محدودکننده‌ای برای حفظ رسانایی بالا باشد.
گرافن مدول بسیار بالاتری نسبت به بستر SEBS دارد. اگرچه ضخامت مؤثر الکترود گرافن بسیار کمتر از ضخامت زیرلایه است، سفتی گرافن ضربدر ضخامت آن با ضخامت زیرلایه قابل مقایسه است (43، 44)، که منجر به یک اثر جزایر صلب متوسط ​​می شود. ما تغییر شکل یک گرافن با ضخامت 1 نانومتر را روی یک بستر SEBS شبیه‌سازی کردیم (برای جزئیات به مواد تکمیلی مراجعه کنید). با توجه به نتایج شبیه‌سازی، زمانی که 20% کرنش به زیرلایه SEBS اعمال می‌شود، میانگین کرنش در گرافن ~6.6% است (شکل 4J و شکل S13D)، که با مشاهدات تجربی مطابقت دارد (شکل S13 را ببینید). . ما کرنش را در مناطق گرافن طرح‌دار و زیرلایه با استفاده از میکروسکوپ نوری مقایسه کردیم و دریافتیم که کرنش در ناحیه زیرلایه حداقل دو برابر کرنش در ناحیه گرافن است. این نشان می دهد که کرنش اعمال شده بر روی الگوهای الکترود گرافن می تواند به طور قابل توجهی محدود شود و جزایر سفت گرافن را در بالای SEBS تشکیل دهد (26، 43، 44).
بنابراین، توانایی الکترودهای MGG برای حفظ رسانایی بالا تحت کرنش بالا احتمالاً با دو مکانیسم اصلی فعال می‌شود: (1) طومارها می‌توانند مناطق جدا شده را برای حفظ مسیر نفوذ رسانا پل بزنند، و (ب) صفحات گرافن/الاستومر چند لایه ممکن است بلغزند. بر روی یکدیگر و در نتیجه باعث کاهش فشار بر روی الکترودهای گرافن می شود. برای لایه های متعدد گرافن منتقل شده روی الاستومر، لایه ها به شدت به یکدیگر متصل نیستند، که ممکن است در پاسخ به کرنش بلغزند (27). طومارها همچنین زبری لایه‌های گرافن را افزایش می‌دهند، که ممکن است به افزایش جدایی بین لایه‌های گرافن کمک کند و بنابراین امکان لغزش لایه‌های گرافن را فراهم می‌کند.
دستگاه های تمام کربنی به دلیل هزینه کم و توان بالا با اشتیاق دنبال می شوند. در مورد ما، ترانزیستورهای تمام کربنی با استفاده از یک دروازه گرافنی پایین، یک تماس منبع/ تخلیه گرافن بالا، یک نیمه هادی CNT مرتب شده و SEBS به عنوان دی الکتریک ساخته شدند (شکل 5A). همانطور که در شکل 5B نشان داده شده است، یک دستگاه تمام کربن با CNT ها به عنوان منبع/تخلیه و دروازه (دستگاه پایین) نسبت به دستگاه دارای الکترودهای گرافن (دستگاه بالا) مات تر است. این به این دلیل است که شبکه‌های CNT به ضخامت‌های بزرگ‌تر و در نتیجه انتقال نوری کمتری برای دستیابی به مقاومت‌های ورقه‌ای مشابه مقاومت گرافن نیاز دارند (شکل S4). شکل 5 (C و D) نشان دهنده منحنی های انتقال و خروجی قبل از کرنش برای یک ترانزیستور ساخته شده با الکترودهای MGG دولایه است. عرض کانال و طول ترانزیستور بدون کرنش به ترتیب 800 و 100 میکرومتر بود. نسبت روشن/خاموش اندازه گیری شده با جریان های روشن و خاموش به ترتیب در سطوح 10-5 و 10-8 A بیشتر از 103 است. منحنی خروجی رژیم‌های خطی و اشباع ایده‌آل را با وابستگی گیت-ولتاژ واضح نشان می‌دهد، که نشان‌دهنده تماس ایده‌آل بین CNT و الکترودهای گرافن است (45). مقاومت تماس با الکترودهای گرافن کمتر از مقاومت در برابر فیلم طلای تبخیر شده بود (شکل S14 را ببینید). تحرک اشباع ترانزیستور قابل کشش در حدود 5.6 سانتی متر مربع در مقابل ثانیه است، مشابه همان ترانزیستورهای CNT طبقه بندی شده پلیمری بر روی بسترهای Si سفت و سخت با SiO2 300 نانومتری به عنوان یک لایه دی الکتریک. بهبود بیشتر در تحرک با چگالی بهینه لوله و انواع دیگر لوله ها امکان پذیر است (46).
(الف) طرح ترانزیستور قابل کشش مبتنی بر گرافن. SWNT ها، نانولوله های کربنی تک جداره. (ب) عکس ترانزیستورهای قابل کشش ساخته شده از الکترودهای گرافن (بالا) و الکترودهای CNT (پایین). تفاوت در شفافیت به وضوح قابل توجه است. (C و D) منحنی‌های انتقال و خروجی ترانزیستور مبتنی بر گرافن روی SEBS قبل از کرنش. (E و F) منحنی‌های انتقال، جریان روشن و خاموش، نسبت روشن/خاموش، و تحرک ترانزیستور مبتنی بر گرافن در کرنش‌های مختلف.
هنگامی که دستگاه شفاف و تمام کربنی در جهت موازی با جهت انتقال بار کشیده شد، حداقل تخریب تا کرنش ۱۲۰ درصد مشاهده شد. در طول کشش، تحرک به طور مداوم از 5.6 cm2/Vs در کرنش 0٪ به 2.5 cm2 / Vs در کرنش 120٪ کاهش می یابد (شکل 5F). ما همچنین عملکرد ترانزیستور را برای طول کانال های مختلف مقایسه کردیم (جدول S1 را ببینید). قابل ذکر است، در کرنشی به بزرگی 105 درصد، همه این ترانزیستورها همچنان نسبت روشن/خاموش بالایی (> 103) و تحرک (> 3 سانتی‌متر مربع بر مقابل) را نشان می‌دهند. علاوه بر این، ما تمام کارهای اخیر روی ترانزیستورهای تمام کربنی را خلاصه کردیم (جدول S2 را ببینید) (47-52). با بهینه سازی ساخت دستگاه بر روی الاستومرها و استفاده از MGG به عنوان تماس، ترانزیستورهای تمام کربنی ما عملکرد خوبی از نظر تحرک و پسماند و همچنین کشش بسیار بالایی از خود نشان می دهند.
به عنوان یک کاربرد از ترانزیستور کاملا شفاف و قابل کشش، ما از آن برای کنترل سوئیچینگ LED استفاده کردیم (شکل 6A). همانطور که در شکل 6B نشان داده شده است، LED سبز را می توان به وضوح از طریق دستگاه تمام کربنی قابل کشش که مستقیماً در بالا قرار داده شده است، مشاهده کرد. در حالی که کشش تا 100٪ (شکل 6، C و D)، شدت نور LED تغییر نمی کند، که با عملکرد ترانزیستور که در بالا توضیح داده شد مطابقت دارد (به فیلم S1 مراجعه کنید). این اولین گزارش از واحدهای کنترل قابل کشش است که با استفاده از الکترودهای گرافن ساخته شده اند و امکان جدیدی را برای الکترونیک قابل کشش گرافن نشان می دهد.
(الف) مدار یک ترانزیستور برای درایو LED. GND، زمین. (ب) عکس ترانزیستور تمام کربنی قابل کشش و شفاف با کرنش 0% که در بالای LED سبز نصب شده است. (C) ترانزیستور شفاف و قابل کشش تمام کربنی که برای تعویض LED استفاده می شود در بالای LED با 0% (چپ) و ~ 100% کرنش (راست) نصب شده است. فلش های سفید به عنوان نشانگرهای زرد روی دستگاه اشاره می کنند تا تغییر فاصله در حال کشیده شدن را نشان دهند. (د) نمای جانبی ترانزیستور کشیده، با فشار دادن LED به داخل الاستومر.
در نتیجه، ما یک ساختار گرافن رسانای شفاف ایجاد کرده‌ایم که رسانایی بالایی را تحت کرنش‌های بزرگ به‌عنوان الکترودهای قابل کشش حفظ می‌کند، که توسط نانوطومارهای گرافن در بین لایه‌های گرافن انباشته فعال می‌شود. این ساختارهای الکترود MGG دو و سه لایه بر روی یک الاستومر می توانند به ترتیب 21 و 65 درصد از رسانایی کرنش 0 درصد خود را در کرنشی تا 100 درصد در مقایسه با از دست دادن کامل رسانایی در کرنش 5 درصد برای الکترودهای گرافن تک لایه معمولی حفظ کنند. . مسیرهای رسانای اضافی اسکرول‌های گرافن و همچنین برهمکنش ضعیف بین لایه‌های منتقل شده به پایداری رسانایی برتر تحت فشار کمک می‌کند. ما بیشتر از این ساختار گرافن برای ساخت ترانزیستورهای قابل کشش تمام کربنی استفاده کردیم. تا کنون، این کشش پذیرترین ترانزیستور مبتنی بر گرافن با بهترین شفافیت بدون استفاده از کمانش است. اگرچه مطالعه حاضر برای فعال کردن گرافن برای الکترونیک قابل کشش انجام شد، ما معتقدیم که این رویکرد می‌تواند به سایر مواد دو بعدی برای فعال کردن الکترونیک دوبعدی قابل کشش گسترش یابد.
گرافن CVD با مساحت بزرگ بر روی فویل‌های مس معلق (99.999 درصد؛ آلفا ایسر) تحت فشار ثابت 0.5 mtorr با 50–SCCM (سانتی‌متر مکعب استاندارد در دقیقه) CH4 و 20–SCCM H2 به‌عنوان پیش‌ساز در 100 درجه سانتی‌گراد رشد داده شد. هر دو طرف فویل مس با گرافن تک لایه پوشانده شده بود. یک لایه نازک از PMMA (2000 دور در دقیقه؛ A4، Microchem) در یک طرف فویل Cu پوشش داده شد و ساختار PMMA/G/Cu فویل/G را تشکیل داد. پس از آن، کل فیلم در محلول پرسولفات آمونیوم 0.1 مولار [(NH4)2S2O8] به مدت حدود 2 ساعت خیس شد تا فویل مس از بین برود. در طی این فرآیند، گرافن پشتی محافظت نشده ابتدا در امتداد مرزهای دانه پاره شد و سپس به دلیل کشش سطحی به شکل طومار پیچید. طومارها بر روی لایه گرافن بالایی که از PMMA پشتیبانی می‌شود وصل شدند و طومارهای PMMA/G/G را تشکیل دادند. فیلم‌ها پس از آن چندین بار در آب دیونیزه شسته شدند و روی یک بستر هدف، مانند یک لایه SiO2/Si سفت و سخت یا بستر پلاستیکی قرار گرفتند. به محض اینکه فیلم چسبیده روی بستر خشک شد، نمونه به طور متوالی در استون، استون/IPA 1:1 (ایزوپروپیل الکل) و IPA به مدت 30 ثانیه خیس می شود تا PMMA حذف شود. فیلم ها در دمای 100 درجه سانتیگراد به مدت 15 دقیقه حرارت داده شدند یا یک شبه در خلاء نگه داشتند تا آب محبوس شده به طور کامل حذف شود قبل از اینکه لایه دیگری از اسکرول G/G روی آن منتقل شود. این مرحله برای جلوگیری از جدا شدن لایه گرافن از بستر و اطمینان از پوشش کامل MGGها در طول آزادسازی لایه حامل PMMA بود.
مورفولوژی ساختار MGG با استفاده از یک میکروسکوپ نوری (Leica) و یک میکروسکوپ الکترونی روبشی (1 کیلوولت؛ FEI) مشاهده شد. یک میکروسکوپ نیروی اتمی (Nanoscope III، Digital Instrument) در حالت ضربه زدن برای مشاهده جزئیات طومارهای G استفاده شد. شفافیت فیلم توسط یک طیف سنج مرئی فرابنفش (Agilent Cary 6000i) آزمایش شد. برای آزمایش‌هایی که کرنش در امتداد جهت عمود جریان جریان بود، از فوتولیتوگرافی و پلاسمای O2 برای الگوسازی ساختارهای گرافن به صورت نوارهایی (حدود 300 میکرومتر عرض و 2000 میکرومتر طول) استفاده شد و الکترودهای طلا (50 نانومتر) به صورت حرارتی با استفاده از رسوب‌گذاری حرارتی شدند. ماسک های سایه در هر دو انتهای سمت بلند. سپس نوارهای گرافن با یک الاستومر SEBS (حدود 2 سانتی متر عرض و 5 سانتی متر طول) با محور بلند نوارها موازی با سمت کوتاه SEBS و به دنبال آن BOE (اچ اکسید بافر) (HF:H2O) در تماس قرار گرفتند. 1:6) اچ و یوتکتیک گالیوم ایندیم (EGaIn) به عنوان تماس های الکتریکی. برای آزمایش‌های کرنش موازی، ساختار گرافن بدون الگو (~5 × 10 میلی‌متر) روی بسترهای SEBS، با محورهای بلند موازی با سمت بلند بستر SEBS، منتقل شدند. برای هر دو مورد، کل G (بدون طومارهای G)/SEBS در امتداد سمت طولانی الاستومر در یک دستگاه دستی کشیده شد و در محل، تغییرات مقاومت آنها را تحت فشار روی یک ایستگاه پروب با یک تحلیلگر نیمه هادی اندازه‌گیری کردیم (Keithley 4200). -SCS).
ترانزیستورهای تمام کربنی بسیار انعطاف پذیر و شفاف روی یک بستر الاستیک با روش های زیر ساخته شدند تا از آسیب حلال آلی دی الکتریک پلیمری و بستر جلوگیری کنند. ساختارهای MGG به عنوان الکترودهای دروازه به SEBS منتقل شدند. برای به دست آوردن یک لایه دی الکتریک پلیمری لایه نازک یکنواخت (ضخامت 2 میکرومتر)، محلول تولوئن SEBS (80 میلی گرم بر میلی لیتر) روی یک بستر SiO2/Si اصلاح شده با اکتاد سیلتریک کلروسیلان (OTS) با سرعت 1000 دور در دقیقه به مدت 1 دقیقه پوشش داده شد. فیلم دی الکتریک نازک را می توان به راحتی از سطح OTS آبگریز به زیرلایه SEBS که با گرافن آماده شده پوشانده شده است منتقل کرد. یک خازن را می توان با قرار دادن الکترود بالایی فلز مایع (EGaIn؛ Sigma-Aldrich) برای تعیین ظرفیت خازن به عنوان تابعی از کرنش با استفاده از یک متر LCR (القایی، خازنی، مقاومت) (Agilent) ساخت. بخش دیگر ترانزیستور متشکل از نانولوله های کربنی نیمه هادی طبقه بندی شده پلیمری بود که طبق روش هایی که قبلا گزارش شده بود (53). الکترود منبع / تخلیه الگو بر روی بسترهای SiO2 / Si سفت و سخت ساخته شد. پس از آن، دو بخش، دی الکتریک/G/SEBS و CNTs/الگوی G/SiO2/Si، به یکدیگر لمینت شدند و در BOE خیسانده شدند تا بستر سفت و سخت SiO2/Si حذف شود. بنابراین، ترانزیستورهای کاملا شفاف و قابل کشش ساخته شدند. آزمایش الکتریکی تحت کرنش بر روی یک راه اندازی کششی دستی به عنوان روش فوق انجام شد.
مطالب تکمیلی برای این مقاله در http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 موجود است
انجیر S1. تصاویر میکروسکوپ نوری MGG تک لایه روی بسترهای SiO2/Si در بزرگنمایی های مختلف.
انجیر S4. مقایسه مقاومت‌ها و گذردهی‌های ورق دو پروب @550 نانومتر گرافن ساده تک، دو و سه‌لایه (مربع‌های سیاه)، MGG (دایره‌های قرمز)، و CNT (مثلث آبی).
انجیر S7. تغییر مقاومت نرمال شده MGGهای تک و دولایه (سیاه) و G (قرمز) تحت 1000 بار کرنش چرخه ای به ترتیب تا 40 و 90 درصد کرنش موازی.
انجیر S10. تصویر SEM از سه لایه MGG روی الاستومر SEBS پس از کرنش، که یک متقاطع طومار طولانی را روی چندین ترک نشان می‌دهد.
انجیر S12. تصویر AFM از سه لایه MGG بر روی الاستومر بسیار نازک SEBS در کرنش 20 درصد، که نشان می دهد که یک طومار از روی یک شکاف عبور کرده است.
جدول S1. تحرک ترانزیستورهای نانولوله کربنی تک جداره MGG دو لایه در طول کانال های مختلف قبل و بعد از کرنش.
این یک مقاله با دسترسی آزاد است که تحت شرایط مجوز Creative Commons Attribution-NonCommercial توزیع شده است، که اجازه استفاده، توزیع و بازتولید در هر رسانه را می دهد، تا زمانی که استفاده از نتیجه برای مزیت تجاری نباشد و به شرطی که اثر اصلی به درستی باشد. استناد شده است.
توجه: ما فقط آدرس ایمیل شما را درخواست می کنیم تا شخصی که صفحه را به او توصیه می کنید بداند که می خواهید آن را ببیند و این ایمیل ناخواسته نیست. ما هیچ آدرس ایمیلی را ضبط نمی کنیم.
این سوال برای آزمایش اینکه آیا شما یک بازدیدکننده انسانی هستید یا نه و برای جلوگیری از ارسال خودکار هرزنامه است.
توسط نان لیو، الکس چورتوس، تینگ لی، لیهوا جین، تاهو روی کیم، وون-گیو بائه، چنشین ژو، سیهونگ وانگ، رافائل پفاتنر، شی یوان چن، رابرت سینکلر، ژنان بائو
توسط نان لیو، الکس چورتوس، تینگ لی، لیهوا جین، تاهو روی کیم، وون-گیو بائه، چنشین ژو، سیهونگ وانگ، رافائل پفاتنر، شی یوان چن، رابرت سینکلر، ژنان بائو
© 2021 انجمن آمریکایی برای پیشرفت علم. تمامی حقوق محفوظ است. AAAS شریک HINARI، AGORA، OARE، CHORUS، CLOCKSS، CrossRef و COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 است.